排放惩罚和年利率对热电联产的电力,热,和氢在卡拉奇:3 e评价和敏感性分析

文摘

巴基斯坦是世界上人口最稠密的国家,半工业化经济。它总是一个能源进口国和依赖于化石燃料。巨大的压力是对巴基斯坦国家电网从化石燃料成本的上升,年利率的变化,增加温室气体排放的成本。以满足不断增长的能源需求,巴基斯坦政府已经决定进一步利用风能和太阳能能量目前在巴基斯坦的能源组合比例可以忽略不计。尽管这个问题的重要性,没有研究进行了迄今为止在热电联产的权力,热量,在巴基斯坦和氢。因此,本研究旨在technical-economic-environmental敏感性分析提供电气和热负荷的居住建筑在卡拉奇的离网wind-solar-fuel细胞系统。为此,4500000可能病例进行分析,模拟和优化与荷马软件使用20年平均气象数据来自美国宇航局的网站。进行灵敏度分析在这个系统首次在巴基斯坦。其他小礼品的使用转储盈余电力转换成热负荷和热回收的燃料电池。结果显示的巨大潜力车站替补提供所需的通过可再生能源电力和热量。 Hydrogen production was also affordable at every emission penalty price with an interest rate of less than 9%. Moreover, dump loads play a key role in supplying the thermal demand. Comparison of the wind turbine–solar cell–fuel cell–battery system with the wind turbine–solar cell–battery and solar cell–battery systems indicated that the internal rate of return and the payback period were, respectively, 9.39% and 11.4 years and 11.7% and 11 years. According to these results, it is recommend that Pakistani authorities promote the use of renewable energies through incentives and investment subsidies.

1。介绍

能源已经变成了一个必要性提高生活质量和收入在巴基斯坦等发展中国家1导致一个不断增长的电力需求(2]。值得注意的是可持续的电力供应是经济可持续增长的额外补贴(3- - - - - -5]。可再生能源,特别是风能和太阳能的能量,是用于此目的6]。

尽管非常高的可再生能源潜力(7- - - - - -9),巴基斯坦未能有效地利用这些由于低效率的策略。如图1在500 MW,巴基斯坦未能弥补赤字(10)和难达到大约1.44亿巴基斯坦人的电力(11近年来]。

显然,如图2,可再生能源的份额在巴基斯坦的能源组合仅为3%,与化石燃料相比可以忽略不计(12,13]。

据报道,巴基斯坦估计风能潜力是346千瓦(2]。操作,目前308 MW和1140 MW机组正在建设中4]。如图3(14),信德省沿海线和俾路支是最敏感的地区使用风能在巴基斯坦。43个千瓦风能容量在这些地区,只能商业利用[11千瓦15,16]。

高投资成本的主要因素是预防的发展风能在巴基斯坦(2]。大型风力涡轮机的高噪音和损害鸟类在这方面其他负面特性(17]。因此,建议使用home-scale风力涡轮机没有这些问题。

巴基斯坦的地理位置坐落在一个地区太阳辐射高的潜力,其领土的95%收到5 - 7的日平均太阳辐射千瓦时/ m²(18]。根据图4(19),大多数沙漠地区在俾路支省,信德省和旁遮普省有巴基斯坦的太阳能潜力最大20.]。估计的2.9太瓦的太阳能潜力在巴基斯坦21,22操作),目前100 MW和856 MW正在建设(4]。

鉴于太阳能电池的公共利益,特别是对部分负荷(23),建议使用混合太阳cell-small风力涡轮机系统产生更多的可持续能源通过消除缺点的太阳能电池和风力涡轮机(24]。

氢可以发挥关键作用在提高能源安全,减少温室气体排放在巴基斯坦25,26]。氢来自可再生资源可以是清洁的可持续燃料(27,28];风能和太阳能能量是巴基斯坦最可靠的可再生资源在这个领域(25,29日]。尽管全球氢生成的大量增长,不幸的是,氢在巴基斯坦的能源组合(没有分享25]。鉴于一些研究氢生成从可再生能源在巴基斯坦,建议考虑风能和太阳能制氢的能量。表1总结了最近在巴基斯坦technical-economic-environmental可行性研究可再生能源。

图5显示电力消费在不同行业在巴基斯坦8]。可以看到,国内行业是电力在巴基斯坦的主要消费者4];因此,电力供应住宅被认为是在这个研究。此外,巴基斯坦在很大程度上是依赖于热能35%电力消耗的热量生成(6]。根据文献,没有technical-economic-environmental热电联产的可行性研究力量,热量,在巴基斯坦和氢。在这项研究中,首次发射的影响处罚和年利率再生混合动力系统的性能进行了研究热电联产的权力,热,和氢气使用美国宇航局的20年平均meteoroidal数据(41荷马软件)。这项研究的结果将不仅有利于混合可再生能源的利用在巴基斯坦也用于其他国家相同的气候在未来针对实施类似项目。

2。研究区域

巴基斯坦首都伊斯兰堡位于南亚。巴基斯坦有1000公里的海上边界南部阿曼海和邻居来自西方的伊朗,阿富汗北部,从东印度,中国的东北。土地面积796096公里²巴基斯坦位于全球太阳能带(4]。巴基斯坦约95%的土地是暴露于太阳辐射在超过300天每天8 - 10 h (42]。此外,1100公里的巴基斯坦沿海线7 - 8米/秒的风速为风能的利用率提供了一个高潜力(43,44]。

巴基斯坦最大的城市卡拉奇是信德省的首都。如数据所示6和7巴基斯坦,卡拉奇位于东南西北沿着阿拉伯海和信德省三角洲。据统计在2017年出版,卡拉奇的人口是14910352。在这方面,卡拉奇是巴基斯坦人口最多的城市,是世界上人口最稠密的城市。数据6和7分别显示风速海拔100米和发电的太阳能电池(千瓦时)。大型风能和太阳能电厂的地理位置也是这些数字所示。

可再生能源的份额(大型水电除外)在巴基斯坦预计到2030年将达到9700兆瓦,看似可行的考虑可用的潜力和巴基斯坦政府的金融和政治承诺在这方面(46]。

上述讨论揭示了高太阳能和风能潜力在卡拉奇的不断增长的需要这个大城市可持续能源资源。因此,卡拉奇被选为车站在这个研究调查。

虽然目前的工作是卡拉奇的案例研究,新的trigeneration系统(电力、热及氢)与热回收和转储负载,以及该方法用于分析和计算以及如何比较不同配置的性能,在世界的任何地方都可以使用。

3所示。风能太阳能系统操作的困难

一个可再生能源的生产者和消费者所面临的问题在安装太阳能电池或风力涡轮机是找到正确的位置47,48]。在太阳能电池中,支座必须这样不被风。同时,找到最佳的安装角度和从面板是清理灰尘,如果处理得当,将导致更好的太阳能电池的性能49]。同时,安装太阳能电池应该这样背后的通风是做得好49]。土地价格的问题也是一个重要的问题对于安装的太阳能发电厂(50]。关于风力发电机的安装和操作,如何安装风力涡轮机的高度是一个问题。此外,维护困难是由于缺乏容易的风力涡轮机转动设备的访问。噪音污染和鸟,风力涡轮机用户面临损害也问题[51]。寻找风的主导方向是另一个问题和剥削问题[52,53]。

4所示。模拟

4.1。荷马软件

荷马由美国国家可再生能源实验室(NREL)促进离网和《海角一乐园》系统的设计。该软件可用于模拟、优化和灵敏度分析的能量系统。分析的结果从最小到最大的经济排名现在净总成本(NPC)。荷马也用于技术和环境分析系统(54]。

下列方程中使用软件计算光伏电池的输出功率(55]: 在哪里Y_光伏代表的输出功率的太阳能电池在标准条件下千瓦,f_光伏是降额因子,每月的太阳能辐射事件在细胞表面用千瓦/ m²,在细胞表面太阳辐射事件在标准条件下的1千瓦/ m²。

使用功率曲线和中心高度的风速,风力发电机的输出功率计算如下(56]: 在哪里ρ代表实际的空气密度的公斤/米³,ρ₀是空气密度在标准温度和压力(ρ₀= 1.225)和风力发电机的输出功率是在标准温度和压力。

在每个时间步,软件计算最大功率收到电池。最大力量在每一个时间步长不同根据当前电池的电荷状态,放电历史,等。该软件适用于三个限制的最大充电功率电池。代表了动力电池模型,电池的最大充电速率,最大充电电流。根据(3),这些值的最大功率是最低(57]。 在哪里电池的充电效率。

通过输入燃料为燃料电池曲线,情节的软件相应的效率曲线。方程(4)代表燃料电池的电效率(58]。 在哪里P_{足球俱乐部}代表输出功率千瓦,求得_燃料的低热值燃料MJ /公斤,然后呢是每小时燃油消耗的燃料电池。

逆变器效率的比例是直流电源转换为交流电源的逆变器。整流效率的定义是比例的交流电源转换成直流电源。注意,荷马假定常数逆变器和整流效率(59]。

建模系统生成的需要通过电解氢剩余电、氢气储罐应可用来存储氢燃料电池消耗的。氢气储罐的自主权被定义为氢气的能源容量之比坦克电荷(60]: 在哪里Y_htank代表了额定容量(额定功率)的氢槽的公斤,是氢的低热值(120 MJ /公斤),然后呢l_{整洁的,大街}是主要的平均负载千瓦时/天。

电解效率的定义是将电能转化为氢气的速率,即。,the energy content of hydrogen based on the higher heating value (HHV) divided by power consumption [61年]。

以下方程用于荷马计算实际年利率(我从名义利率)(我′)[62年]: 在哪里f年通货膨胀率。软件假定一个相同的通货膨胀率为所有成本。总人大获得年度总成本除以投资回收期的因子,计算投资回收期的因素如下(63年]:

逐步降低能源成本(每千瓦时LCOE)生成的权力是获得年度总成本除以实际成本的发电(64年]。内部收益率(IRR)是一个标准用于资本预算评估可能的投资的盈利能力。IRR是折现率导致零净现值(NPV)为所有获得的现金流从一个特定的项目和计算如下65年]: 在哪里C_t在研究期间是净流入,C₀是总初始投资成本,IRR是内部收益率,然后呢t是时间的数量的步骤。更高的IRR更有利可图的项目,和这个参数允许经理等级项目基于IRR而不是NPV。

4.2。必需的数据

图8系统示意图显示了替补。可以看到,最重要软件的输入数据包括需要功率和热在24小时内如图9(一个)(38),10 ()(66年]。随机变量在软件用于日常数据转换成年度数据。这些变量表示为每小时更新的时间和step-to-time一步的,分别是15%和20%。应用随机变量,数据9 (b)和10 (b)分别显示全年所需的电力和热能。

如图8使用转储负载在这项研究中,将多余的电能转换为热能。转储负载或电锅炉实际上是一个电阻加热器能将多余的电力转换成热量,不能存储在电池中。

太阳辐射和风速的数据记录在替补站应该使用给定的太阳能电池和风力涡轮机的使用。平均20年的数据来自美国宇航局网站(67年),分别显示在数字(11日)和11 (b)。根据图11,平均太阳辐射和风速在卡拉奇站5.34千瓦时/ m²天,3.51 m / s,分别。

考虑到使用的柴油锅炉,每升0.83美元的成本被认为是在计算68年]。调查公司的影响₂排放惩罚系统的总成本,排放惩罚每吨$ 0,50岁,100年和150年被认为是在这个研究。此外,实际年利率5、10、15,被认为是20%。表2总结了系统中使用的设备的规格和价格。

5。结果

表3给出了仿真结果。看到,增加年利率,总人大增加而LCOE减少。随着排放惩罚,LCOE减少,燃料电池的性能,因此柴油燃料消耗增加。

此外,利率的0和5%的太阳能电池比风力涡轮机的能源生产和正好相反10到15%的利率。随着排放惩罚,进一步使用燃料电池和燃料电池能源生产的增加由于使用清洁的氢燃料。

结果显示,转储加载盈余电力转换成热起着关键作用提供所需的热能。年利率的增加导致增加LCOE生成的能量。因此,盈余电力是不可行的转化为热量的转储负载导致转化率较低的电加热增加年利率。

结果表明在不同的场景中氢产率可以忽略不计由于电解设备的高成本和氢气储罐。燃料电池的能源生产率低是由于高成本的燃料电池。考虑到可以忽略的有限公司₂排放,替补地区有巨大的潜力从可再生能源供应所需的功率和热。更少的能量产生与增加年利率,从而增加可再生能源设备的费用导致更多的利用锅炉和进一步的柴油燃料消耗。这反过来导致增加有限公司₂排放。

还应该提到,增加处罚化石燃料污染物,使用这些燃料失去重点。因此,氢燃料电池的使用,因此,生产将是首选,更广泛。与通货膨胀率的上升,生产设备的使用、存储、和使用可再生能源会减少经济。化石燃料的使用会更划算,因此,导致更多的污染。

图12显示了灵敏度分析的结果研究参数对经济最优系统。看,太阳能cell-wind涡轮燃料细胞是具有成本效益的8.5 - -9%的年利率为所有发射处罚。然而,太阳能cell-wind涡轮在更高的利率更划算。在非常小的范围的年利率是20%,排放惩罚接近0,太阳细胞系统由软件中被确定为最优系统。这也是如图12更大的优先重点是氢气生产年度利率小于8.5 -9%,和更高的利率制氢在接下来的地方的意义。

图13显示了不同的总人大年度利率和排放惩罚。与表的结果是一致的3。换句话说,整个人大增加而减少的年度利率和增加排放惩罚。图13也有助于计算LCOE生成的能量和总在不同年度人大5到20%的利率和发射处罚0到每吨150美元的排放。这同样适用于图12。

考虑到实际年利率约15%的在巴基斯坦73年),考虑一个合理的价格的50美元每吨碳排放(74年),这个场景下面详细研究。

图14显示了近似巴基斯坦的现状。看到,风能太阳能混合系统的LCOE 0.923美元是最优的系统中生成的电力的86%是由可再生能源提供。第二优化系统只包括太阳能电池和显示LCOE略有增加约1.2%,但可再生能源的使用是在这个系统里下降了13%。如图14,氢燃料电池排名第三,与在图,结果是一致的12。制氢将增加LCOE 4.55%比最优的系统(风能太阳能混合动力系统)。第四系统缺乏电池不是通过可再生能源专家。第四系统的唯一的优势超过第三个是生产氢导致增加13.37% LCOE比较与系统中所使用的电池。

因为这项研究是针对cogenerating权力,热,和氢,第三个系统图14进一步分析。图15显示了每月的权力,热量,为太阳能和氢生成概要cell-wind涡轮燃料电池系统。

根据电力概要,风力涡轮机和太阳能电池每个扮演主导的角色在六个月的发电。发电的燃料电池是可见的今年1月,11月,12月。见热剖面,1月在供热锅炉中起着重要作用,11月和12月发电时低,而转储负载在这方面扮演着重要的角色在其他月份剩余电力转化为热量。根据最大氢氢生成配置文件,代约0.09千克/天观察到今年1月,和最低氢生成是在8月和9月。

值得注意的点隐式地从结果图15是约8846千瓦时盈余每年发电,58.2%高于所需的电力。此外,5829千瓦时余热产生,103%超过所需的热能。成本可以显著减少通过出售剩余电和热的国家电网或邻居。

根据图14,尽管总人大越高,运营成本的太阳能cell-wind涡轮燃料电池系统是低于其他系统。评估投资回收期、燃料cell-battery-based系统被认为是基础系统和与其他系统相比,在项目生命周期(25年)。结果呈现在图16。

比较基本系统佳人turbine-solar细胞系统,内部收益率(IRR) = 9.39%,投资回收期为11.4年。换句话说,11.4年后,基本系统将在经济上超过风turbine-solar电池系统。内部收益率和投资回收期为基础系统与太阳能电池相比只有11.7%和11年,分别。投资回收期为最优系统的差异(基本系统),而只太阳能电池和风力turbine-solar电池系统系统由于设备的不同价格购买,这些系统的操作和维护和操作。

比较系统的基本系统包括燃料电池,没有电池,可以看出没有投资回收期、内部收益率和基础系统优于其他系统项目的整个25年的寿命。这凸显了需要使用电池作为备份。

6。结论

大约5100万巴基斯坦人没有访问巴基斯坦国家电网,1.44亿多人有不可靠的访问国家电网(75年]。因此,巴基斯坦政府已经意识到通过政策改善当前能源形势的必要性和可再生能源项目。考虑到未开发的可再生能源在巴基斯坦,是一种严重的需要使用基于可再生能源的分布式发电系统。因此,在这项研究中,首次热电联产,热,和氢在居住建筑在卡拉奇是调查使用20年平均风速和太阳辐射数据从美国宇航局网站中提取和更新设备和化石燃料的可再生能源的成本。考虑到变量年利率和排放的影响研究处罚LCOE生成的能源和氢,对这些参数进行灵敏度分析。第一次,盈余可再生电力转化为热量。主要结果总结如下:(我)总人大下降但LCOE年利率的增加而增加(2)LCOE利用燃料电池排放惩罚的增加而增加(3)太阳能超过风能在利率不到10%(iv)转储负载发挥了重要作用,提供所需的热量(v)有一个低电位产生可再生氢在卡拉奇(vi)有一个高热电联产潜力的可再生能源在卡拉奇和热(七)氢经济排名第一在利率不到9%(八)太阳能电池系统在利率高于20%,排名第一的零排放的处罚(第九)盈余可再生电力和可再生热量在卡拉奇,分别为85.2%和103%(x)氢生成最优的系统相对于风能太阳能和单一太阳能系统,分别显示回收期11.4和11年

数据可用性

所有数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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